随着全球脱碳战略的推进，海上风能正在迅速发展，预计在未来十年内装机容量将大幅增长（Lee和Zhao，2022年）。未来大部分海上风电设施将部署在深水区域，在这些区域，固定底部基础在水深超过30-50米时变得不经济可行（美国国家研究委员会，2011年）。因此，浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）成为一项关键的技术。包括韩国的大规模浮动开发项目在内的国家倡议，强调了可靠浮动概念对下一代兆瓦级涡轮机的战略重要性（Boo等人，2024年）。在这样的系统中，必须综合考虑结构动力学和控制设计，以确保稳定运行并限制疲劳关键载荷（Barter等人，2020年）。
在各种浮动配置中——驳船式、半潜式、 spar式和张力腿平台（TLP）——TLP概念以其张紧的系泊系统而脱颖而出，该系统通过预张力索提供高垂直刚度（Subbulakshmi等人，2022年）。这一特性在运行条件下抑制了升沉、横摇和俯仰运动（Bae和Kim，2013年），减少了塔架和传动系统的平均结构需求（Oguz等人，2018年）。然而，同样的刚度分布使得TLP系统在水平刚体自由度（纵荡、横摇和偏航）上相对敏感，在这些自由度上，低频气动推力波动和二阶波浪载荷可能会引起显著的动态响应（Han等人，2017年）。这种不对称行为导致平台在垂直方向上稳定，但在水平激励下容易受到动态影响（Martynowicz等人，2025年）。
随着涡轮机规模的扩大，这些挑战变得更加严重。海上风电的额定功率已发展到15兆瓦级别及以上（Gaertner等人，2020年），导致气动推力大幅增加（Uzunoglu和Soares，2019年）。在TLP支撑的涡轮机中，维持预张力索所需的刚度可能会使平台的自然频率更接近塔架弯曲模式（Terán-Quintero等人，2018年），从而增加了气动-水力-弹性耦合的可能性（Matha等人，2010年）。即使平均平台旋转量很小，动态放大机制也会影响疲劳积累和运行稳健性。
已有大量研究探讨了TLP的水动力学、索配置和整体响应行为（Bachynski和Moan，2012年）。在风和波浪共同激励下的转子-浮体耦合也通过实验和数值方法进行了研究（Mortensen等人，2018年）。然而，大多数研究仍集中在5-10兆瓦级别的涡轮机上。国际能源署（IEA）提出的15兆瓦参考风力涡轮机模型（Gaertner等人，2020年）使得评估更大规模的浮动概念成为可能。虽然升级到15兆瓦显著增加了推力载荷，但关于这一级别的控制优化仍存在显著的研究空白（Ren等人，2024年）。
从控制角度来看，为固定底部系统调整的传统集体俯仰策略可能在控制器带宽与低频平台模式重叠时引入负的气动阻尼（Larsen和Hanson，2007年）。在浮动式海上风力涡轮机中，通常通过控制器失谐来缓解这一问题，即降低俯仰控制器的自然频率以避免与平台刚体模式的相互作用。虽然这对稳定性有效，但失谐会固有地减少控制器带宽，往往导致转子速度调节性能下降和功率波动性增加，尤其是在超出额定条件的情况下（Hu等人，2021年）。相比之下，本研究探讨了一种频率 shaping 方法，其中控制器参数根据风速进行调度，以选择性地影响不同频率带内的气动作用力与结构响应之间的耦合。这种方法不是全局减少控制权限，而是在从模态分析中识别出的气动-平台相互作用带内有针对性地修改激励，同时保持整体控制响应性（Boo等人，2024年）。
除了基于失谐的策略外，还提出了一系列针对浮动式海上风力涡轮机的先进控制方法，包括单独的俯仰控制（IPC）（Sarkar等人，2020年）、智能转子概念（如可变形尾缘襟翼（DTEFs）（Zhang等人，2019年）和非线性基于模型的算法。这些方法通常旨在通过增加驱动权限或增强干扰抑制来减少结构载荷，但可能会引入额外的系统复杂性、执行器需求或计算要求（Bayat和Allison，2025年）。相比之下，本研究并不引入新的控制架构，而是关注在传统集体俯仰框架内的修改如何影响耦合的气动-水力-伺服-弹性响应。因此，其目标是通过在现有且广泛采用的控制结构中实现频率感知的控制调谐，提供对响应修改的机械理解。
本研究通过系统地探讨俯仰控制频率 shaping 如何修改15兆瓦级TLP浮动式海上风力涡轮机的气动-水力-弹性耦合机制来解决这一空白。图1展示了整体平台布局。采用KRISO-KIER 15兆瓦TLP概念作为参考系统（Boo等人，2024年）。而不是提出全新的控制器，而是将俯仰控制频率 shaping 作为参考开源控制器（ROSCO）比例-积分（PI）控制框架（Abbas等人，2022年）中的受控扰动，来研究耦合系统动态。
首先基于识别的刚体和结构自然频率建立模态信息频率带分解。然后使用功率谱密度（PSD）分析和频带参与度量来量化低频平台模式和塔架主导响应之间的模态能量参与。这使得能够系统地评估控制调谐如何影响（i）刚体激励，（ii）塔基疲劳损伤等效载荷，以及（iii）在超出额定条件下的发电机功率波动性。
通过将俯仰控制频率特性与不同模态频率下的激励-响应耦合修改以及由此产生的刚性浮动平台中的疲劳响应联系起来，本研究为TLP支撑的风力涡轮机中的频率感知控制器评估提供了一个基于物理的框架。结果阐明了所研究的15兆瓦级TLP系统中动态响应性与结构载荷管理之间的平衡。
